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« Toward Floating-Point Run-time Variable Precision in CPU-based Architectures ».

Auteur : N. Ait Said
Directeur de thèse : K. Morin-Allory
Co-directeur de thèse : M. Benabdenbi
Rapporteur(s) de thèse : Fr. Pecheux, A. Bosio,
Examinateur(s) de thèse : F. Rousseau, A. Virazel,
These de Doctorat Université Grenoble Alpes
Soutenance : 24/11/2021

Résumé

De nos jours, les unités de calcul à virgule flottante (FPU) à précision standard consomme une partie importante des ressources énergétiques dans les architectures à base de processeurs. Beaucoup d’applications modernes ont une capacité inhérente à tolérer une perte de précision entrainant peu ou pas d’impact sur les résultats en sortie. Pour de telles applications, les formats de virgule flottante (FP) standardisés IEEE sont souvent surdimensionnés. Cette caractéristique a permis à un nouveau paradigme de conception d’émerger ces dernières années: le Calcul en Transprécision (TC).
Cette thèse propose plusieurs contributions qui pallient certaines limitations de l’état de l’art. Tout d’abord, nous proposons une approche minimalement intrusive qui exploite les approximations des calculs en FP pour la réduction de puissance, du temps d’exécution et de l’énergie consommée. Cette approche introduit des approximations au niveau de l’exécution/interprétation des instructions. Cela permet de traiter tous les types de binaires exécutables (applications bare-metal, applications utilisateur single-/multi-threads, OS/RTOS, etc.). La méthodologie prend en charge la précision réduite arbitraire (ARP) (formats de FP à précision réduite non standard) ainsi que la précision variable dans le temps (possibilité pour les applications d’ajuster leur précision opérationnelle au moment de l’exécution). Par la suite, une implémentation logicielle a été développée. Elle simule l’impact de ces calculs approchés sur la qualité du résultat (QoR) des applications. Enfin, une FPU matérielle multiprécision a été conçue en technologie FD-SOI ASIC de 28 nm et qui permet d’obtenir des gains d’efficacité énergétique importants.
La méthodologie proposée et ses implémentations ont été évaluées conjointement en logiciel et en matériel sur un ensemble d’applications de référence, avec un focus sur des méthodes itératives. Les expériences montrent comment des ajustements très fins de la précision peuvent être réalisés grâce à l’ARP et à la VPT, sans perte de qualité du résultat, pour générer des économies importantes en termes d’énergie consommée lors du calcul. Avec un niveau de perte de qualité acceptable sur les résultats en sortie, l’efficacité énergétique est encore accrue.